Гистерезисные эффекты смачивания в процессах роста нитевидных нанокристаллов по механизму пар-жидкость-кристалл

С древних времен фундаментальной проблемой науки было выяснение того, каким образом из сложных, нерегулярных, хаотических состояний материи возникает порядок. Характерным примером возникновения упорядоченного состояния является рост кристаллов. В последние десятилетия в мире наблюдается «всплеск» исследовательского интереса к нитевидным нанокристаллам (ННК), причем количество публикаций в этой области удваивается примерно каждые два года. Специфическая анизотропная форма с очень большим характеристическим отношением длина/диаметр, высочайшее структурное совершенство и практически идеальная поверхность ННК придает им целый ряд уникальных физических свойств. «Бум» исследовательского интереса к ННК полупроводников связан с перспективами создания на их основе бездислокационных ненапряженных гетероструктур, которые могут быть использованы в различных приборных приложениях: одноэлектронных устройствах, многоканальных полевых транзисторах с оболочковым затвором, обладающих рекордно низким энергопотреблением и практическим отсутствием токов утечки, эмиттерах с холодной эмиссией электронов, модулях оперативной памяти с терабайтной плотностью записи информации, высокоострийных кантилеверах для зондовой микроскопии и др. Непревзойденные характеристики и свойства ННК обусловлены нестандартным методом их синтеза пар-жидкость-кристалл (ПЖК) и проявляющимися размерными эффектами. Однако, несмотря огромный интерес к изучению механизма и контролю роста и на все многочисленные предпринимаемые усилия, добиться управляемого и хорошо воспроизводимого роста ННК пока не удается. Одна из главных ростовых проблем здесь связана с непредсказуемыми скачками кристаллической структуры формирующихся кристаллов. Другая проблема – спонтанное поведение капли катализатора в процессе роста ННК, в результате чего образуются сферолитные, игловидные, ветвящиеся, спиралевидные, ламеллярные кристаллы. В росте ННК существенную роль играет свободная межфазная энергия границ раздела. Она определяет контактное смачивание, а, следовательно, задает форму капли металла-катализатора на конце НК, характеризуемую краевым углом. В свою очередь, угол смачивания предопределяет соотношение поперечных размеров ННК и капли катализатора, а, значит, и форму растущего кристалла. Однако исследования показывают, что измеряемые краевые углы часто зависят от нескольких дополнительных факторов и принимают разные значения. Такими факторами могут быть гетерогенность твердой поверхности (неоднородность по структуре и составу), шероховатость поверхности, образование химических соединений при контакте жидкости с твердыми телами, размерный эффект и др. Даже наличие в системе механизма отрицательной обратной связи, основанного на предположении о постоянстве угла роста, не обеспечивает автоматическое поддержание стабильных характеристик кристаллизационной системы. Недооценка метастабильности краевого угла приводит к возможным ошибкам в понимании сложных процессов роста ННК. Способность капли жидкого металла иметь при контакте с ННК несколько стабильных (метастабильных) краевых углов, отличных от термодинамически равновесного, является чрезвычайно важной фундаментальной особенностью смачивания в процессах роста ННК. Без учета этой способности нельзя правильно интерпретировать экспериментальные данные и осуществлять управление смачиванием для устойчивого и воспроизводимого роста. Настоящий проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы, связанной с управляемым ростом ННК полупроводников и получением кристаллов с воспроизводимыми геометрическими и электрофизическими характеристиками. В данной области у руководителя проекта имеется мировой приоритет, подтвержденный патентами, докладами на престижных международных конференциях и статьями по тематике проекта, в том числе в международных и российских научных изданиях (Nature Comm., Cryst. Growth, J. Appl. Phys., J. Am. Soc. Mass. Spectrom., Inorg. Mater., Semiconduct. и др.). Проект посвящен развитию новой тематики, раскрывающей принципиально новые подходы в исследовании фундаментальных принципов формирования низкоразмерных кристаллических структур полупроводников по ПЖК-механизму и базируется на гипотезе о том, что методы, основанные на управлении смачиванием, позволят стабилизировать параметры кристаллизационного процесса при непреднамеренных отклонениях условий выращивания ННК от стационарных. Научная новизна проекта заключается в том, что определение законов регулирования параметров процесса выращивания ННК, обеспечивающих устойчивый, воспроизводимый рост, осуществляется на основе результатов анализа закономерностей гистерезиса краевого угла капли катализатора на вершине ННК. До сих пор требуемые законы регулирования определялись в результате эмпирического поиска. Основной задачей в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, является исследование и разработка научных основ управления процессами смачивания, обеспечивающими устойчивый рост ННК с воспроизводимыми геометрическими и электрофизическими характеристиками. В проекте будут решены и другие ключевые задачи, в том числе: 1) Определение объекта и предмета исследования, составление плана исследований гистерезисных эффектов, осуществление выбора методов исследования; 2) исследование гистерезисных эффектов, возникающих при смачивании вершинной грани ННК каплей катализатора; 3) разработка модели ПЖК-роста ННК, основанной на автофобном эффекте и применимой для всех стадий роста; 4) построение гистерезисной зависимости угла наклона боковой поверхности ННК Si от величины краевого угла капли, приводящей к образованию ступенчатой поверхности; 5) разработка методов управляемого роста ННК, использующих закономерности гистерезиса смачивания.